Фото: © Майкл Чиаппоне

Пение птиц и человеческий голос созданы по одному генетическому проекту

Люди долгое время были очарованы птичьим пением и какофонией других птичьих звуков — от воркования и гудков до кряканья и писка. Но мало что известно о том, как уникальный голосовой орган птиц — сиринкс — меняется от вида к виду или о его более глубоком эволюционном происхождении.

Три недавних исследования, проведенные специалистами из Техасского университета в Остине, меняют это положение.

Исследования включают анатомические снимки с высоким разрешением крылышек колибри и страусов — самых маленьких и крупных видов птиц в мире — и открытие, что крылышки и гортань, голосовые органы рептилий и млекопитающих, включая человека, имеют одинаковую программу развития.

По словам Джулии Кларк, профессора Школы наук о земле Джексона при Калифорнийском университете, эта генетическая связь между голосовыми органами является захватывающим новым примером «глубокой гомологии», термина, который описывает, как разные ткани или органы могут иметь общую генетическую связь.

Три исследования построены на основе совместных междисциплинарных исследований сиринкса с физиологами и биологами развития, которыми Кларк руководит уже более десяти лет.

Исследование началось в 2013 году, когда палеонтолог Кларк обнаружил сиринкс в окаменелости уткоподобной птицы, которая обитала на территории нынешней Антарктиды в конце мелового периода. Этот образец — самый древний из обнаруженных сиринксов. Но когда она попыталась сравнить ископаемого сиринкса с сиринксами современных птиц, она обнаружила, что научной литературы не хватает. Многие исследования датируются 19 веком, до появления современной научной визуализации, или цитируют утверждения из более ранних исследований, сделанные без их перепроверки.

Это подтолкнуло Кларк к выполнению миссии по модернизации — и максимизации — сбора данных о сиринксе.

За эти годы Кларк и сотрудники ее лаборатории разработали новые методы препарирования, сохранения и компьютерной томографии сиринксов, которые помогли выявить сиринкс более детально. Эти расширенные изображения голосового органа страуса и колибри показали, что поведение птиц может быть не менее важным, чем у сиринкса, когда речь заходит о репертуаре звуков, которые издают эти птицы.

Например, в исследовании страусиного сиринкса, опубликованном в Журнале анатомии, исследователи не обнаружили существенных различий в анатомии сиринкса между взрослыми самцами и самками птиц (предыдущие исследования были сосредоточены только на самцах страусов). Однако, несмотря на то, что оба пола обладают одинаковым вокальным оборудованием, страусы-самцы, как правило, издают более разнообразные звуки, чем страусы-самки, причем эти звуки часто ассоциируются с агрессивным поведением буйных самцов.

Во время посещения страусиной фермы в Техасе исследователи зафиксировали 11 типов звуков, начиная от высокочастотных попискиваний и бульканья у детенышей страусов и заканчивая низкочастотным улюлюканьем у взрослых самцов. Они включали в себя несколько типов криков, которые никогда ранее не регистрировались. Единственными звуками, окончательно зафиксированными у взрослых самок страусов, было шипение. То, чего самкам не хватало в диапазоне, они восполнили поведением, сказал Майкл Чиаппоне, который начал заниматься исследованиями страусов, будучи студентом бакалавриата в Школе Джексона, и является ведущим автором исследования.

Для исследования колибри в Зоологическом журнале Линнеевского общества ученые сравнили сиринкс колибри с сиринксом стрижей и козодоев, двух близких родственников, и обнаружили, что у всех трех птиц схожие голосовые складки в сиринксе, несмотря на разные способы обучения их крикам. Стрижи и козодои работают с ограниченным репертуаром инстинктивных криков, в то время как колибри способны совершенствовать свои крики, разучивая сложные песни друг у друга — черта, называемая обучением вокалу.

По словам Лукаса Лежандра, научного сотрудника школы Джексона, который руководил исследованием колибри, полученные данные свидетельствуют о том, что общий предок всех трех птиц также имел схожее строение голосовых складок — и что это, возможно, помогло заложить основу для эволюции обучения вокалу у колибри.

«Наличие всех структур [голосовых складок], которые уже присутствовали до того, как колибри приобрели навыки вокала, вероятно, облегчило им овладение навыками постановки голоса», — сказал он.

До исследования было неясно, есть ли вообще у стрижей голосовые складки. В рамках исследования Лежандр создал цифровую 3D-модель вокальной дорожки swift, которая переносит зрителей вниз по трахее к сиринксу и к голосовым складкам, которые находятся в верхней части каждой ветви сиринкса. Модель, получившая от Кларк название «волшебное таинственное путешествие», демонстрирует успехи в анатомических знаниях сиринкса, которыми располагает ее лаборатория.

«О существовании этой структуры за пределами колибри не было известно, но наша компьютерная томография показала, что у стрижей эти голосовые складки находятся в том же положении. Это то путешествие, в которое нам нужно было отправиться, чтобы получить ответы на эти вопросы», — сообщают ученые.

В то же время Кларк и ее команда разрабатывали методы сохранения и фиксации анатомии сиринкса у разных видов птиц в исследовании эволюционного происхождения сиринкса путем отслеживания экспрессии генов, которые сопровождали развитие голосовых органов у эмбрионов птиц, млекопитающих и рептилий.

Исследование, опубликованное в Current Biology, является кульминацией этого сотрудничества. В исследовании подробно рассказывается о том, как ученые обнаружили глубокую связь между тканями гортани и носоглотки, наблюдая, что одни и те же гены контролируют развитие голосовых органов у эмбрионов мышей и куриц соответственно, хотя органы возникли из разных эмбриологических слоев.

«Они формируются под влиянием одних и тех же генетических путей, в конечном итоге придавая голосовой ткани сходную клеточную структуру и вибрационные свойства у птиц и млекопитающих», — сказал Табин, соруководитель исследования.

В исследовании также анализировалось развитие сиринкса у разных видов птиц, что включало наблюдение за экспрессией генов у эмбрионов 14 различных видов, от пингвинов до волнистых попугайчиков, и было обнаружено, что у общего предка современных птиц, вероятно, был сиринкс с двумя источниками звука или двумя независимо функционирующими голосовыми складками. Эта черта встречается у певчих птиц и сегодня, позволяя многим издавать два разных звука одновременно. Исследование предполагает, что общий предок птиц, возможно, издавал столь же разнообразные крики.

Эти результаты могут пролить свет на происхождение сиринкса, но до сих пор неизвестно, когда сиринкс впервые развился и были ли у нептичьих динозавров — предков современных птиц — голосовой орган. Никто еще не находил ископаемого сиринкса динозавра, не относящегося к птицам.

По словам Кларка, лучший способ понять возможности звуков древних динозавров — это продолжить изучение вокализации в том виде, в каком она существует сегодня у птиц, динозавров, которые все еще с нами, и других родственников рептилий.

Поделиться:

Подписывайтесь на краткие, но содержательные новости со всего мира
глазами молодого поколения в Телеграм и ВКонтакте.

Почитайте также

Science: вороны способны намеренно планировать, сколько звонков совершить

82 В ходе поведенческого эксперимента вороны смогли научиться производить определенное количество звонков. Это предполагает, что …